植物种类和入塘流量对塘堰湿地净化效果和水力性能的影响

张宇婷，张博超，顾世祥，韩焕豪，崔远来

（1. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072； 2. 云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021；3. 昆明理工大学现代农业工程学院，云南 昆明 650559）

0 引 言

水流和植物的相互作用（包括物理、化学、生物三者协同作用）在表面流人工湿地的净化过程中起着重要作用［1］。湿地植物可以降低风速，有利于污染物的沉积，为细菌提供基质，为微生物提供附着表面，吸收养分以及在碳限制的系统中为反硝化提供碳源［2，3］。湿地内部的水流状态则对水力停留时间和湿地有效容积率的大小有直接影响［1，4］。塘堰，是在山区或丘陵地带修建的一种小型蓄水工程，多与灌区中的灌排系统连接在一起，通过生态化改造便可成为塘堰湿地。作为表面流人工湿地的一种，塘堰湿地的运行效果受到植物种类、植物密度、水深、流量、进出口布置等多种因素的影响。

不少研究证明有植物湿地系统相比于无植物湿地系统有更显著的污染物去除效果［5-7］，各湿地植物去除污染物的能力有所差异，通过植物优选可以获得更高效的湿地净化效果［8，9］。但Shen 等［5］通过总结来自92 项研究中的398 个数据，对沟塘的总氮去除率进行了统计分析发现，不同植物对总氮的去除率没有显著差异，Mayer 等［10］的研究结果同样显示不同植被类型的缓冲带对氮的去除效果是相同的。因此，对于湿地植物种类在地区的影响差异，还需进一步的试验研究。流量是影响湿地净化效果和水力性能的重要因素之一，其对水力停留时间、湿地水流的短路和混合程度有直接影响［1，11，12］。一般认为，低流量湿地中存在更多的回流区，湿地的容积利用效率更高，净化效果和水力性能要比高流量湿地更加显著。Holland 等［13］通过对不同水位与流量下的人工湿地进行示踪试验发现，在流量范围为1.2～3.2 L∕s 时，即流量变化因子达到2.7 时，流量大小对湿地的水力效率没有明显影响。Ioannidou 和Pearson 等［1］进行了为期八个月的原位试验研究，表明较高的流量会导致较短的水力停留时间，但流量变化对水力停留时间分布（RTD）曲线的形状影响较小。

云南省天然高原湖泊众多，九湖流域是云南粮食作物和经济作物的主产区，但目前除泸沽湖和抚仙湖水质尚好外，其他湖泊水质总体上呈III 类或劣于III 类。云南高原湖泊污染的主要来源是农业面源污染，而塘堰湿地作为一种湿地生态系统，在我国南方水稻灌区分布广泛，发挥着排水和净化双重功效［7，14，15］。塘堰湿地对农田排水减污的管理模式主要是蓄水减污（静态）和非蓄水减污（动态）两种。因此，以大理市洱海流域为典型区域开展静态和动态去除及示踪试验，研究植物种类和入塘流量对塘堰湿地氮磷净化效果及水力性能的影响，优选适合洱海流域的湿地植物，为地区塘堰湿地设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于大理洱海西侧喜洲镇作邑村的农业农村部大理综合环境监测站（100°07'43″E，25°49'59″N，海拔1 975 m）。大理地处低纬高原，四季温差不大，干湿季分明，以低纬高原季风气候为主。站内年平均气温15.1 ℃，年平均降水量1 078.9 mm。

试验在3个规格相同的人工塘堰湿地中进行。单个湿地长边20 m，两端外接直径5 m 的半圆，共长25 m，面积约120 m2。塘堰湿地深度1 m，边坡比为1∶1，底宽3 m，顶宽5 m，湿地之间田埂宽1 m。3 个湿地分别种植水葱、再力花及梭鱼草（图1），3种湿地植物均为挺水植物，最佳生长温度分别为15～30，20～30，18～30 ℃，水葱忌酷热，耐霜寒，再力花和梭鱼草均好温暖水湿、阳光充足的环境，不耐寒。在2019 年8 月和2020 年10 月开展静态试验，在2020年10月开展动态去除及示踪试验。

图1 试验湿地结构图（单位：m）Fig.1 Layout of the pond wetland

1.2 静态试验

试验开始时，向3个塘堰湿地中输入浓度一定的污水，2019年试验TN、TP 浓度分别为0.80 mg∕L 和0.15 mg∕L，2020 年试验TN、TP 浓度分别8.0 和1.5 mg∕L。之后封闭塘堰的进口和出口，静止保持，每天固定时间在3 个塘堰湿地的进口、中部、出口3个特定位置取样，取水样时，用贝勒管取塘堰水层中部的水样。2019 年连续取样时间为8 月3-22 日，2020 年连续取样时间为10月4-10日。

1.3 动态去除及示踪试验

考虑植物种类和入塘流量两个因素，植物（P）设置3 个水平，入塘流量（Q）设置2 个水平，采用完全组合的方式设置试验处理，不进行重复。试验处理设计见表1。

表1 湿地动态去除及示踪试验处理设计Tab.1 Treatment design for dynamic removal and tracer tests in wetlands

试验开始时，先排空塘堰湿地，之后向各塘堰中持续加入总氮浓度为10 mg∕L，总磷浓度为5 mg∕L 的氮磷浓缩液（氯化铵和磷酸二氢钾）。试验取样在2020 年10 月23-30 日完成，从投加氮磷浓缩液开始计时，每隔30 min 在塘堰进口和出口处取水样，确保进口水样不少于5 个，出口水样不少于10 个（为了进一步探究湿地不同位置净化效果和水力性能的差异，梭鱼草湿地试验过程中另外在湿地中部加取水样，同样确保水样不少于10个）。示踪试验与动态去除试验同步进行，本次试验采用罗丹明WT 作为示踪剂，在试验开始时，于进水处投加40 mL 示踪剂（质量浓度2.5%的罗丹明WT 稀释液），施放时间控制在2 min左右，在湿地中部及出口处悬挂YSI-600 OMS 多功能水质检测仪监测示踪剂的浓度。设定仪器的记录时间步长为2 min。示踪试验结束后，取回仪器，利用EcoWatch 软件导出试验数据并绘制 RTD曲线。

1.4 净化效果及水力性能分析方法

1.4.1 净化效果指标

选取总氮（TN）、总磷（TP）、硝氮（NO3--N）、氨氮（NH4+-N）的浓度去除率为净化效果评价指标。水样TN和NO3--N采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定（GB11894-89），TP 采用钼酸铵分光光度法测定（GB11893-89），NH4+-N 采用纳氏试剂比色法测定（GB7479-87）。

静态管理模式下，污染物去除率计算公式如下：

式中：i表示污染物；ηi为各污染物去除率，%；C0为第一次取样时污染物i的浓度，mg∕L；Cn，i为第n天取样时污染物i的浓度，mg∕L。

动态管理模式下，污染物去除率计算公式如下：

式中：i表示污染物；ηi为各污染物去除率，%；Cinlet，i和Coutlet，i分别为进、出口处污染物i的浓度，mg∕L。

1.4.2 水力性能指标

水力停留时间是水流从湿地进口到出口的时间，可分为理论停留时间和平均停留时间。计算公式如下：

式中：tn为理论停留时间，h；V为湿地水体容积，m3；Q为湿地进口流量，m3∕h；tm为平均停留时间，h；t为停留时间分布函数对应的时间，h；f（t）为停留时间分布函数，h-1；c（t）为监测点处示踪剂浓度，μg∕L。

为方便不同试验条件下的示踪试验结果相互比较，需要对数据进行标准化处理［13，16］。标准化公式如下：

式中：φ为无量纲时间标量；t0为示踪剂开始投放的时间，h；t'为计算时间，h；t为积分变量，h；Q（t'）为湿地入流量，m3∕h；V（t'）为湿地容积，m3；c（φ）为示踪剂浓度，μg∕L；V（φ）为湿地容积，m3；M为投放示踪剂的总质量，g。

参考前人研究［4，12，17-19］，本文从已有的水力指标中选取4 个具有一致性、敏感性和稳定性的水力性能指标作为研究对象，分别为有效容积率（effective volume ratio，e）、短路指标φ10、矩指数（Moment Index，MI）和莫里尔离散指数（Morril Dispersion Index，MDI）。

e反映了湿地短路的严重程度，是指湿地水体实际对污水处理起作用的部分，计算公式如下：

式中：Veffective为湿地水体的有效容积，m3；Vtotal为湿地水体的总容积，m3。

φ10和MDI被视为评价湿地短路程度和混合程度的最佳水力指标［17］。φ10对应于标准化RTD 曲线与横坐标围成面积占总面积10%时对应的无量纲时间。MDI的计算公式如下：

式中：φ90对应于标准化RTD曲线累计分布曲线与横坐标围成面积占总面积90%时对应的无量纲时间。

MI与e表现出良好的一致性，且不受尾部截断效应的影响。计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 植物种类对塘堰湿地净化效果的影响

2.1.1 2019年静态试验结果

2019 年试验期内3 个塘堰湿地的氮磷浓度及去除率变化如图2、图3所示。

图2 2019年试验期内各湿地的氮磷浓度变化Fig.2 Variation in nitrogen and phosphorus concentration for each wetland during the 2019 test period

图3 2019年试验期内各湿地的氮磷浓度去除率变化Fig.3 Variation in nitrogen and phosphorus concentration removal rate for each wetland during the 2019 test period

在整个试验期内，3 个湿地的ηTN随时间的延长呈波动上升，且在一周左右去除率达到峰值，此时水葱、再力花和梭鱼草湿地的ηTN分别为43.1%、33.0%、38.9%，随后水力停留时间继续增加，去除率不再有明显的增加。在取样时间12 d时（8月15日），3 个湿地的TN 和NH4+-N 浓度均有一个异常高值，主要是由于塘堰湿地未完全封闭，有外来水进入导致浓度升高，随后由于湿地的净化能力浓度再次降低。在试验结束时，水葱、再力花和梭鱼草湿地的ηTN基本稳定在43.3%、35.6%和39.2%，3种湿地植物对TN 的净化效果排序依次为水葱、梭鱼草、再力花。

由于初始进水浓度较低，而塘堰湿地对氮素的去除效果本身存在限度，3 个湿地的NO3--N 和NH4+-N 浓度始终保持在较低的水平，同时，由于降水和外来水的影响，其浓度存在着波动变化。在取样时间4～6 d 时（8 月7-9 日），3 个湿地的NO3--N 浓度均有明显的先增加后减小，是因为这几天发生了降雨，雨水中的硝态氮随径流发生迁移并产生富集，随后由于湿地的净化能力浓度逐渐减小。这也在一定程度上表明塘堰湿地在净化初始浓度较低的水体时效果并不明显。

3 个湿地的ηTP在一周之内稳定增加，且增长速率差异不大，随后去除率缓慢下降，并在11～12 d 时回升至峰值，水葱、再力花和梭鱼草湿地峰值处的ηTP分别为77.4%、67.0%、71.2%，试验后期的平均去除率分别为63.3%、55.0%和64.2%。水葱和梭鱼草湿地对TP的去除效果相差不大，略优于再力花湿地。

2.1.2 2020年静态试验结果

2020 年试验期内3 个塘堰湿地的氮磷浓度及去除率变化如图4、图5所示。

图4 2020年试验期内各湿地的氮磷浓度变化Fig.4 Variation in nitrogen and phosphorus concentration for each wetland during the 2020 test period

图5 2020年试验期内各湿地的氮磷浓度去除率变化Fig.5 Variation in nitrogen and phosphorus concentration removal rate for each wetland during the 2020 test period

在取样时间2 d 时，梭鱼草湿地的TN 浓度有明显下降，ηTN达90%以上并趋于稳定，水葱和再力花湿地的ηTN则持续上升并直到试验结束（水葱湿地后两次水样TN 化验结果失败，根据再力花和梭鱼草湿地的浓度及去除率变化趋势分析，在取样时间达到第3 天时，TN 浓度已经下降至较低点，去除率上升趋势明显变缓，因此推测水葱湿地的去除率将在80%～90%间上下波动）。试验结束时，水葱、再力花和梭鱼草湿地的ηTN分别可达80.7%、65.5%和89.0%，三种湿地植物对TN 的净化效果排序依次为梭鱼草、水葱、再力花。

在本试验中，氮的形态以NH4+-N 为主，其在TN 中的平均占比为65.4%，因此NH4+-N 的浓度变化与TN 高度相似。在取样时间接近2 d时，梭鱼草湿地的ηNH+4已达95.6%，试验结束时3个湿地的ηNH+4均达100%，考虑是由于试验后期的降雨导致湿地内部的流态紊乱剧烈，加速了铵态氮的挥发和硝化［20］。同时，由于土壤颗粒带负电荷，带正电荷的NH4+比带负电荷的NO3-更容易被吸附截留，因此ηNH+4更高。

3个湿地的ηTP均随取样时间的延长逐渐增加，在试验结束时，水葱、再力花和梭鱼草湿地的ηTP分别为52.0%、86.5%和85.3%，并仍有上升的趋势，再力花和梭鱼草湿地的TP 去除效果相差不大并优于水葱湿地。

两年试验结果有所差异，水葱湿地2019 年的ηTN最高，ηTP和梭鱼草湿地接近且都优于再力花湿地，但2020年的去除效果则较差，主要是因为2020 年试验在10 月份进行，此时再力花和梭鱼草尚处于开花期，而水葱接近枯萎期，植物出现衰败，生长状态发生变化，根茎对水流的阻碍作用也有所减小，从而改变了湿地内部的水流流态。

2.1.3 综合分析

综合两年试验结果表明，塘堰湿地的氮磷去除率会随着时间的延长逐渐增加，但增长幅度会逐渐减缓，说明塘堰湿地的净化能力需要一定的水力停留时间，且在本试验中最佳水力停留时间以一周为宜。

塘堰湿地对氮磷的去除效果与初始进水浓度有关，去除率随初始浓度的升高而增加。2019 年与2020 年试验期内3 个湿地的实际TN、TP 平均初始浓度分别为0.80 和0.14 mg∕L，6.89 和1.48 mg∕L；ηTN、ηTP分别为40%和61%，78%和75%；后者的氮磷去除率明显优于前者。湿地去除不同浓度氮素的机制本身存在一定的差异。对于高氮浓度的地表水来说，底物吸附可以获得较高的去除率，而对于低氮浓度的地表水，吸附并不是去除氮素的有效途径［21］。但不同浓度范围对应的具体去除机制还需要进一步研究。

塘堰湿地对氮磷的去除效果与湿地植物的生育期和生长特性有关。3种湿地植物中，再力花的氮磷去除能力表现最差，梭鱼草的TN 去除能力与水葱接近，TP 去除能力略优于水葱。一般来说，湿地植物可以分为“根茎型”植物和“须根型植物”，“须根型”植物以细小根为主，根系更加发达，根孔隙度更高且泌氧能力更强，能够扩展湿地植物的净化空间，从而提高湿地的净化效果［22-24］。再力花属于根茎植物，水葱和梭鱼草则属于须根植物，这3 种植物的根系属性与本文中的氮磷净化效果具有一致性。

2.2 入塘流量对塘堰湿地净化效果的影响

图6 为动态去除试验各因素水平下的湿地氮磷浓度去除率。同一流量水平下，3 种湿地植物对TN、TP 的净化效果从高到低依次为梭鱼草、水葱、再力花，对NH4+-N 的净化效果优于NO3--N，这与2.1中的静态试验结果一致。其中水葱湿地的ηNO-

图6 各因素水平下的湿地氮磷浓度去除率Fig.6 Removal rate of nitrogen and phosphorus concentration in wetlands at different factor levels

3以及大流量时的ηNH+4均略高于梭鱼草湿地，但ηTN却偏小，主要是由于湿地本身还存在其他形式的氮素。对同一种植物来说，3 个湿地在小流量时的氮磷去除率均要高于大流量，这是因为过大的流量会使水流在湿地中的停留时间过短，不足以使污染物被植物充分吸收以及微生物降解，从而降低湿地的净化效果。同时，当进水流量较大时，过水断面的流速较大，从而造成污染物解吸和底泥悬浮而不利于其吸附沉降［11］。

当入塘流量从4 m3∕h 增加到11 m3∕h 时，水葱、再力花、梭鱼草湿地的ηTN分别减少了43.1%、15.1%、58.4%，ηTP分别减少了28.6%、10.9%、41.7%，说明增大流量对梭鱼草湿地的净化效果影响更大，对再力花湿地的影响较小，入塘流量增大时，不同植物之间的氮磷去除率差异也逐渐减小。推测在小流量时，湿地内部的水流状态由植物主导，在大流量时则以流量为主导。

对比梭鱼草湿地运行过程中中部和出口位置的去除率（图7）可以发现，出口位置去除率普遍高于中部，湿地前半部分的氮磷去除率占整体的65%～87%，说明随着水流在湿地中通过的路径增加，污染物的去除率逐渐提高，且去除过程主要发生在湿地的前半部分。

与2.1相比，动态试验中塘堰湿地的ηTN和ηTP明显要低，ηTN和ηTP分别在15.7%～48.9%、17.7%～38.5%之间。主要原因是连续进出水在湿地内的水力停留时间较短。另一方面，温度会影响湿地植物的吸收速率［25］、微生物降解率［26］和基质吸附率［27，28］，且与总氮去除率之间存在显著的正相关关系［5］。动态试验期内（2022.10.23-10.30）的平均气温为15 ℃，温度较低，净化效果略差。

2.3 湿地植物种类和入塘流量对塘堰湿地水力性能的影响

本次示踪试验的实际历时为7.5～25.8 h，所有试验的示踪剂回收率均达到90%以上，满足一次完整的示踪试验要求［29］。各组试验的标准化示踪曲线见图8。

图8 各因素水平下的标准化示踪曲线Fig.8 Standardized tracer curves at different factor levels

再力花湿地在入塘流量为4 m3∕h时示踪曲线出现了双峰现象，之前的研究也同样在有植物湿地中观测到类似的结果［30，31］，可能是由于植物的存在，以及实际试验中进口水流的小幅变化，使示踪剂扩散团在水流中的左右运动情况不一样。双峰分布同样反映了湿地系统中的水流运动存在着优先路径。

不同植物种类和入塘流量的水力性能指标见表2，各因素水平下的均值见图9（图中均值为各水平下湿地出口处水力性能的均值）。

表2 各因素水平下的水力性能评价指标Tab.2 Hydraulic parameters at different factor levels

图9 各因素水平下的水力性能指标均值Fig.9 Average value of hydraulic parameters at different factor levels

2.3.1 植物种类对水力性能的影响

短路是导致湿地水力性能下降的主要因素之一，e、φ10和MI均代表湿地的短路情况，其值越大，表示湿地的水力性能越好。本次试验大部分的e均在0.65 以上，并出现了大于1 的情况，说明其均有较好的水流状况。湿地的设计参数是影响其水力性能的重要因素，本次试验的湿地长宽比设置为4∶1，植物分布均匀且水深较小，这些设计都降低了湿地发生短路的风险，保证了湿地容积较高的利用率。根据图9 中的e来看，3 个湿地的水力性能从高到低依次为水葱湿地（0.86）、梭鱼草湿地（0.67）、再力花湿地（0.53）。φ10和MI则反映了相同的试验结果，水葱湿地具有最高的φ10（0.51）和MI（0.72），表明其水力性能最佳。这一结果与Ienkins 等［32］和Guo 等［8］的研究结果类似，即细茎秆、大密度和均匀分布的水生植物湿地具有更好的水力性能。另外有研究表明，水葱湿地的孔隙率较低，即淹没在水中的植物部分体积占湿地总体积的比重相对较大，具有更好的去除效果和水流状况［2］。

MDI代表湿地的混合情况，其值越大，说明湿地水流的混合程度越高，更接近完全混合流。从表2 及图9 中可以看出，不管是小流量还是大流量，水葱湿地（MDI=2.14）的混合程度均最小，再力花湿地（MDI=4.09）的混合程度最大，梭鱼草湿地（MDI=3.84）则介于二者之间，说明水葱湿地的水流形态更接近于推流。以往的许多研究也表明，理想的推流状况有利于提高湿地的水力性能。这与短路指标得出的结论一致，水葱湿地的水力性能优于梭鱼草湿地，优于再力花湿地。

2.3.2 入塘流量对水力性能的影响

入塘流量对短路指标和混合指标的影响不同。随着入塘流量的增加，e从0.77 下降到0.69，φ10从0.38 下降到0.31，MI从0.67 下降到0.53，湿地水力性能逐渐降低（图9）。这一结果也可以从标准化示踪曲线（图8）中得到验证，当入塘流量增加时，可以明显看出水葱湿地和再力花湿地的示踪曲线整体向原点靠近，说明其短路程度加剧，湿地的水力性能降低。这是因为当入塘流量较大时，植物的茎秆会倾向于弯曲或变平，表面粗糙度以及对水流的阻力会相对减少，湿地水力停留时间减少，湿地短路流出现的概率增加，从而降低湿地的有效容积利用率。从MDI来看，入塘流量为4 m3∕h 时的湿地水流具有更高的混合程度，说明流量较小时，湿地水流的短路情况较少，但混合程度较高。

2.3.3 湿地不同位置的水力性能

比较湿地中部及出口位置处的e、φ10和MI发现，湿地前半部分的水力性能明显优于整体的水力性能，试验中的e均在0.85 以上，且大部分超过了1，说明湿地前半部分的水体充分参与了水流运动，湿地容积得到了有效利用。φ10和MI的试验结果也可以佐证这一结论。这也可以一定程度上验证梭鱼草湿地中污染物的去除过程主要发生在湿地的前半部分（见2.2）。但湿地不同位置的MDI差异不显著，具有随机性。当入塘流量为11 m3∕h时，再力花湿地中部的φ10略小于出口处，但MDI却远大于出口位置，φ10表示标准化10%示踪剂质量回收的时间，其值越小，表明与理论相比示踪剂能更快到达湿地指定点。再力花湿地前半部分的φ10较小，主要是因为大流量加快了示踪剂在湿地前半部分的运动速率，并且受来水的影响，前半部分的紊动较为剧烈，混合程度较高，因此MDI值较大。Holland 等［13］在研究流量和水深对湿地水力性能影响的过程中也发现，对于湿地的净化效果和水力性能来说，水流的混合程度是有利的或至少是中性的。因此有关湿地水流混合的影响还需要进一步探究。

3 结 论

基于静态去除试验、动态去除及示踪试验结果，探究植物种类和入塘流量对塘堰湿地的氮磷净化效果和水力性能的影响规律，得到如下结论。

（1）塘堰湿地的净化效果与水力停留时间、污染物浓度、温度、湿地植物生育期等因素有关。延长水力停留时间（本文中最佳时间为一周），增加污染物浓度，温暖的气候以及湿地植物生长旺盛的时期均有利于提高塘堰湿地的净化效果。

（2）各湿地植物的净化效果和水力性能存在差异。梭鱼草的TN去除能力与水葱接近，TP去除能力略优于水葱，水葱湿地的水力性能优于梭鱼草湿地，再力花湿地的净化效果和水力性能均表现最差。综合净化效果和水力性能，3 种湿地植物从高到低排序为水葱、梭鱼草、再力花。

（3）随着入塘流量的减小，湿地的氮磷去除率逐渐增加，有效容积率、短路指标、矩指数和莫里尔离散指数增大，净化效果和水力性能逐渐提高。

（4）植物种类对短路指标和混合指标的影响一致，入塘流量对二者的影响不一致，当流量减小时，湿地水流的短路情况减少，但混合程度增加。

（5）湿地污染物的去除过程主要发生在前半部分，且湿地前半部分的水力性能明显优于整体的水力性能。